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OpAmps für Anfänger



OpAmp-Oszillator mit invertierendem Verstärker

Im vorherigen Beispiel arbeitete der OpAmp-Verstärker im nicht-invertierenden Modus, das heißt die Ausgangsspannung folgte linear der Eingangsspannung. Durch einfaches Vertauschen der beiden Eingänge kann man aber den OpAmp dazu bringen, ein invertiertes Ausgangssignal zu produzieren. Das Ausgangssignal wird dann negativ, wenn das Eingangssignal positiv ist, und umgekehrt.

Invertierende Verstärker kann man hervorragend dazu bringen, zu schwingen. Koppelt man das invertierte Signal an den Eingang zurück, dann schwingt der OpAmp. Da er mehrere Mega-Hertz schnell ist, schwingt er dann eben auf Kurzwelle.

Freilaufend schwingender OpAmp Um den OpAmp auf einer niedrigeren Frequenz (hier: so um die 1.000 Hz) schwingen zu lassen, müssen wir den Schwingvorgang etwas verlangsamen. Das macht in dieser Schaltung ein Dreifach-RC-Netzwerk. Durch die Lade- und Entladevorgänge der drei Widerstände und drei Kondensatoren kommt das rückgekoppelte Ausgangssignal vom OpAmp erst etwas später am invertierenden Eingang wieder an, der OpAmp schwingt dann weniger schnell.

Ein bisschen kitzlig ist bei dieser Schaltung die Einstellung der Verstärkung mit dem 100k-Trimmer: koppeln wir zu wenig vom Ausgang an den nicht-invertierenden OpAmp-Eingang zurück (wenig oder keine Verstärkung, Trimmereinstellung mit niedrigerem Widerstand), dann schwingt die Schaltung gar nicht. Die Verluste in den R und C des Netzwerks bewirken dann, dass der OpAmp rein gar nix macht. Erst, wenn die Verstärkung einen bestimmten Punkt überschreitet, setzen die Schwinungen ein. Da die Schaltung nach dem ersten Einschwingen etwas weniger Verstärkung braucht, müssten wir dann den Trimmer wieder auf etwas weniger Verstärkung stellen.

Überschwingen und Clipping Machen wir das nicht, schaukelt sich die Schwingung auf die volle, vom OpAmp lieferbare Amplitude hoch. Das führt dann zu einem nahezu idealen Rechteck (grüne Kurve): nur an den Flanken bleibt das Signal vom RC noch etwas rund, die Spitzen werden vom OpAmp abgeschnitten (bei plus 8,35 V nach Plus und bei -7,0 V nach Minus).

Amplitudenbegrenztes Oszillatorsignal Um das Überschwingen zu vermeiden, muss das Signal amplitudenbegrenzt werden. Am Besten fangen wir das mit dem ersten C an, indem wir dessen Amplitude mit zwei Dioden auf +/-0,65 V limitieren. Dann werden auch die anderen RC-Kombinationen nicht umhin können, dem zu folgen. Jetzt können wir etwas mehr Verstärkung einstellen, z. B. v = -4,0, ohne dass die Schwingung am oberen und unteren Ende an den Clipping-Grenzen anstößt.

Anschwingen des OpAmp-Oszillators Hier sind zwei mal drei Dioden als Amplitudenbegrenzung eingefügt und eine Verstärkung von v = -4 eingestellt. Man sieht, die Schaltung schwingt langsam an und erreicht nach ca. 8 Millisekunden ihren Normalzustand. Die Spannung am ersten Kondensator wird von den jeweils drei Dioden in beiden Richtungen auf knapp +/-2 Volt begrenzt und die beiden Kondensatoren C2 und C3 halten sich auch daran. Der Ausgang des OpAmp schwingt jetzt mit +/-4,5 Volt, die beiden RCs 2 und 3 sorgen für einen sauberen Sinus, auch wenn C1 auf eckig begrenzt ist.

Die Frage ist, weshalb die Schaltung überhaupt anschwingt. Zu Beginn, wenn alle drei Kondensatoren entladen sind und der Operationsverstärker aus Null am dritten Kondensator Null an seinem Ausgang macht, tut sich rein gar nix: alles bleibt dann Null. In der Simulation hier habe ich als Anfangsbedingung ein einziges Millivolt auf den OpAmp-Ausgang gelegt, und das reicht schon, um aus Null ein ganz kleines bisschen zu machen und, siehe da, das reicht aus, um das Ganze langsam zum Schwingen zu bringen. Und ein Millivolt Schrott kriegt man beim Einschalten der Betriebsspannung immer hin, wenn nicht noch viel mehr. Nur Libre-Office-Rechensheets kennen exaktes Null, reale Bauelemente schon mal gar nicht.

Höher aufgelöste Schwingungen des Oszillators Das hier zeigt im Detail, wie das Schwingen im Einzelnen vonstatten geht: Die drei Verzögerungen durch RC1, RC2 und RC3 nennt der Elektroniker Phasenverschiebung, das Ganze daher auch "Phasenschieberoszillator".

Die Frequenz, die sich hier einstellt, ergibt sich aus der Distanz der Nulldurchgänge, deren zwei jeweils etwa 0,85 ms auseinanderliegen. Genauer sind es 0,88 ms, was einer Frequenz von 1.000 / 0,88 = 1.136 Hz entspricht. Da f mit steigendem Widerstand und Kondensator um so niedriger wird, haben wir es mit f = k / R / C zu tun, wobei sich mit R = 10k und C = 22nF k zu 1.136 * 10.000 * 0,000.000.022 = 0,25 ergibt. Damit kann man jetzt R und C für seine Lieblingsfrequenz ausrechnen, z. B. für den Kammerton A mit 440 Hz und einem C von 47 nF: R = k / f / C = 0,25 / 440 / 0,000.000.047 = 12 kΩ.

Begrenzung mit zwei Dioden, v = -14 Wer sich ein paar Dioden sparen will: es geht auch mit nur zwei Dioden wie im Schaltbild gemalt: hier mit zwei anti-parallel geschalteten Dioden und etwas höherer Verstärkung (minus 14). Produziert ebenfalls einen astreinen Sinus, auch wenn der Spannungsverlauf an C1 irgendwie nicht mehr viel von einem Sinus hat.

In Realität haben Dioden natürlich keine solche abrupte Kennlinie. Sie leiten auch schon bei 0,6 V etwas, was die Spannung an C1 etwas weniger eckig macht.

Sinus vom 741-Oszillator So sieht das Ganze auf des Oszi aus.

Viel Erfolg und Spaß beim Nachbau.

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